[論文レビュー] Electroweak Contributions to Thermal Gravitino Production

Josef Pradler|ArXiv.org|Aug 21, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 43被引用数 25

ひとこと要約

本学位論文は、電弱ゲージ群（SU(3)×SU(2)×U(1)）の寄与をすべて含めた、有限温度における標準模型内での熱的ニューゲイジノ生成の完全な計算を初めて提示している。ブラテンス・ユアンの再結合技術を用いて、衝突項におけるハード・サーマル・ループ寄与を導出し、ニューゲイジノの残存密度と再加熱温度に関する宇宙論的制約を高精度で計算可能にした。

ABSTRACT

At high temperatures, gravitinos are generated in inelastic scattering processes with particles that are in thermal equilibrium with the hot primordial plasma. We consider the regeneration of gravitinos that starts with completion of reheating after inflation. Following a consistent finite-temperature approach, we provide the complete result for the gravitino production rate to leading order in the gauge couplings. Focusing on gravitino dark matter scenarios we compute the relic density of thermally produced gravitinos. Moreover, we show that a conceivable determination of the gravitino mass at future colliders will allow for a unique test of the viability of thermal leptogenesis in the laboratory.

研究の動機と目的

• すべての SU(3)×SU(2)×U(1) ゲージ群寄与を含めた、標準模型における完全な熱的ニューゲイジノ生成率の計算。
• ブラテンス・ユアンの再結合法を用いて、任意のカットオフに依存しない有限温度場理論的手法の確立。
• ダークマターのシナリオにおける熱的に生成されたニューゲイジノの残存密度の決定。
• ニューゲイジノダークマターまたは長寿命のニューゲイジノを有するモデルにおける再加熱温度の制約。
• ニューゲイジノ質量の測定と宇宙論的整合性の関連を結びつけることで、熱的レプトゲネシスの加速器実験を可能にする。

提案手法

• 有限温度量子場理論におけるニューゲイジノ衝突項へのハード・サーマル・ループ寄与を、ブラテンス・ユアンの手続きを適用して計算。
• 超対称ゲージ理論におけるニューゲイジノの相互作用に必要なすべてのファインマン規則を導出。
• BFB、FFF、BBF過程の行列要素を計算し、|M₁|²、|M₂|²、|M₃|²に起因する寄与を区別。
• ボーズ＝アインシュタインおよびフェルミ＝ディラック分布関数を適切に取り入れ、ステップ関数の制約を含む相空間積分を実行。
• 熱的平衡状態における全生成率を、ハード・サーマル・ループの自己エネルギーおよび頂点補正を用いて計算。
• ボルツマン方程式における衝突項を評価し、温度および結合定数の関数としてのニューゲイジノの生成量を決定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限温度における標準模型内での、完全な電弱寄与による熱的ニューゲイジノ生成は何か？
• RQ2 SU(3)×SU(2)×U(1) ゲージ相互作用は、ニューゲイジノの熱的生成率にどのように寄与するか？
• RQ3 熱的に生成されたニューゲイジノの残存密度は何か？ そして、再加熱温度の制約にどのように寄与するか？
• RQ4 将来の加速器で測定可能なニューゲイジノ質量は、熱的レプトゲネシスの妥当性を検証できるか？
• RQ5 不安定なニューゲイジノの長寿命崩壊は、不安定ニューゲイジノを有するモデルにおけるビッグバン核合成にどのように影響するか？

主な発見

• 本論文は、標準模型の全ゲージ群 SU(3)×SU(2)×U(1) を含めた、熱的ニューゲイジノ生成の最初の完全な一次近似結果を提示している。
• BFB、FFF、BBF過程に対して、衝突項におけるハード・サーマル・ループ寄与が明示的に導出され、すべての行列要素の二乗寄与が計算された。
• 任意のカットオフに依存しない生成率が、ブラテンス・ユアンの再結合技術を用いて計算され、ゲージ不変性と赤外有限性が保証された。
• 得られたニューゲイジノ生成量を用いて、再加熱温度の上界が導出され、これはニューゲイジノダークマターのシナリオにとって極めて重要である。
• 本研究により、ニューゲイジノ質量の測定が将来の実験で可能となり、熱的レプトゲネシスの宇宙論的整合性を直接検証できるようになる。
• 本結果は Physical Review D に掲載され、arXiv:hep-ph/0608344 として公開されており、今後の宇宙論的および加速器研究の基準となる。